智能窗帘控制系统的设计

1、题目 智能窗帘控制系统的设计摘要：本文设定了在ZIGBEE协议栈基础上把CC2530当做重点控制芯片的智能窗帘控制系统，综合系统设计协调器节点、终端传感器节点两方面, 利用前者创建且保证ZIGBEE网络, 由后者收集光照度，或者直接输入的指令等内容, 利用ZIGBEE网络经终端传感器节点传送给协调器节点，其在接受内容之后判断处理且发放实施命令给终端传感器节点，以此实现智能控制的效果。该系统功能平稳、执行便利，可大量使用在智能窗帘家居系统中。关键词：CC2530、ZIGBEE协议栈、传感器、光照度、直流电机。The design of the wireless environment monit

2、oring and control systemAbstract：This paper designed a based on the ZIGBEE protocol stack CC2530 as the core control chip of ZIGBEE network environment monitoring system, by the coordinator, router nodes and terminal nodes of three parts, the sensor nodes to establish and maintain by the coordinator

3、 node ZIGBEE network, the wireless terminal sensor nodes to collect information such as temperature and humidity, light, via ZIGBEE network via terminal sensor nodes to the coordinator node, the coordinator node receiving information processing and execute commands sent to the routing node, in order

4、 to realize real-time monitoring and control effect. The system system performance is stable, user-friendly control can be widely used in environmental detection.Key Words: CC2530, ZIGBEE protocol stack, sensors, light，continuous current dynamo.目录目录III第一章绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的目的11.3国内外研究现状1第二章硬件设计22

5、.1 系统设计方案22.2 CC2530单片机32.3 光敏电阻42.5供电模块52.6复位电路62.7串口模块电路72.8继电器电路7第三章软件设计83.1 zigbee的介绍83.2 开发环境83.2.1 IAR集成开发环境简介93.2.2 ZigBee协议栈93.3协调器节点的程序设计103.4终端节点即传感器节点的程序设计123.5微控制器模块的程序设计133.6函数程序代码设计133.6.1 初始化程序函数设计133.6.2 按键程序函数设计143.6.3 周期性发送程序函数设计153.6.4 光敏电阻驱动程序函数设计15总结17致谢18参考文献19IV第一章 绪论1.1课题研究的背

6、景在经历长久的发展之后，科技发展水平持续提升，二十一世纪的人类开始步入信息爆炸时期。在美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton专家在1991年第一次指出物联网定义，物联网科技得到各界人士的关注以及分析。众所周知，在物联网应用技术中包含三个关键的部分，主要是传感器、RFID以及嵌入式系统技术。此处传感器技术由于是得到信息最关键以及最本质的技术，因此得到了各界人士的关注以及分析，和通信以及计算机技术并称为信息科技的三大主要科技。根据现实情况我们就可以知道，传感器技术此后潮流就是集成化、小型化以及网络化，且会促使社会开展重要的信息变革。如过把传感器技术应用于无线传感网络中必将会有很多的用途，例如

7、交通领域、医疗领域、智慧农业以及环境检测等。本文把分析关键点放到传感网技术在智能家居系统中的使用这一部分。因为传感器现在的微型化，所以可以在各种硬件上进行安装、监测、感知并采集环境中的各种变化，可以及时的对信息进行处理并通过无线网络进一步的进行家居操控。这样就实现了智能家居系统。1.2课题研究的目的伴随生活质量的提升，大众开始想得到平稳、便利、舒服的居住环境，之前住宅逐渐展现出智能化趋势发展。在上述环境中，设定了以物联网为基础的智能窗帘控制系统。关注系统结构和工作理论，关注叙述重点硬件和软件的研发。上述系统通过嵌入式操作系统，使用ZIGBEE无线通信技术完成信号传送，完成对窗帘的全面管控。检测

8、结果指出上述系统运作平稳，数据传送精准性明显。把上述系统使用到智能窗帘中，可以让智能窗帘的管控展现出多样化和科技化，对智能窗帘此后的发展，有明显的现实使用意义。1.3国内外研究现状现在，我国在智能家居部分的分析逐渐完成了在特定范畴内对多种家居使用的整体管控。现在，国内外通过单片机的智能家居控制系统软硬件执行模式一般包含下面几个种类。 首先是直接通过单片机和其余外围芯片当做数据筹集以及管控的装置，不需要上位PC 机进行数据处理。上述种类的自主控制体系通常将单片机当做重点，涵盖输入、控制、输出等众多模块等。硬件电路通常包含温度传感器和模拟信号处理电路、A/D 转换器、单片机、D/A 转换器、LED

9、（或LCD）显示器和微打印机、简单键盘、指示报警装置等部分，也就是单片机是最小的应用系统，完成主要的输入输出作用以及单纯的管控作用。软件研发通常使用中断技术筹集环境因子参数，之后通过有关标度转变得出环境因子的参数化值，之后利用特定的控制算法和设定值开展对比你，然后对外设实施管控，通常普遍的控制算法是数字PID 算法，上述算法在改进之后可以完成比较平稳以及精准的管控。 上述系统费用不高，也具备良好的管控精度，可以全面达到普通使用人员的需要。第二章 硬件设计2.1系统设计方案此系统只要是在ZIGBEE协议的前提上设定的智能家居窗帘管控体系，在 ZIGBEE网络里面，传感器节点具备网络节点的终端作用

10、，对房间环境的部分信息进行筹集、接收以及处理、传送信息。例如在采集到光照度变弱时执行开灯的功能。这里设计一套简单智能窗帘控制系统，该系统能够通过窗帘上的开关按钮来开闭窗帘，显然，这是目前市场上自动窗帘都具有的基本功能。在上述主要功能的基础上，此外本设计也依照各个需要设定了可依照光照强度来管控窗帘的运作，在现实挑选设计方案以及使用元器件部分，上述系统基于便利实惠的理念，尽量减少电路设计，通过单一的电路布线以及挑选最符合现实需要的元件来满足系统设计需要。自动窗帘控制系统具备下面众多作用：（1）手动控制：用户可以一键打开或者关闭窗帘；（2）智能控制：系统可以根据用户设定的光照强度来自动控制窗帘的开闭

11、。本方案的总体效果图如图 2-1所示。图2-1 方案总体效果图2.2CC2530单片机核心处理器就是无线传感网络的重点。它相当于电脑主机的CPU ，主要就是信息的处理，它要负责采集并处理传感器数据，与其他节点通信并判断何时发送和接收这些数据，以及与上位机的通讯。核心处理器的主要功能是运行各种程序并且具备严格的通信协议，综合种种考虑，本系统选用CC2530单片机。CC2530是用于2.4-GHz.IEEE.108.15.4、ZIGBEE和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。其可以通过比较低的综合材料费用创建良好的网络节点，涵盖RF收发器。产业内部统一的增强型8051 CPU，系

12、统内可编程闪存，8-KB RAM 以及众多其余作用。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具备各个类型的运作方式，让其全面符合低功耗标准。运行模式之间的转变时间缩短，保证了能源损耗减少。如图2-2为CC2530核心处理器图图2-2 CC2530核心板2.3光敏电阻本系统选择了5516光敏电阻，此电阻主要是依照半导体的光电导效应理论设计的电阻值根据光照的强弱而转变的电阻器，也被叫做光电导探测器；光照度变强的时候电阻减小，光照变弱的时候电阻增加。此外也出现光电导探测器光照度变弱的时候电阻减小。反之

13、电阻提高。以此判别光照强度。直径5MM光敏电阻型号参数表如下表2-1：表2-1直径5MM光敏电阻型号参数表型号最大电压（VDC）最大功耗（mw）环境温度（摄氏度）光谱峰值(nm)亮电阻（10Lux）(千欧)暗电阻(兆欧)灵敏度响应时间（ms）上升下降5506150100255402-50.20.620305516150100255405-100.50.620305528150100255408-2010.8203055371501002554018-5020.7203055391501002554030-9050.9203055491501002554045-140100.920302.光敏电

14、阻的应用电路图2-5为光敏电阻的应用电路。图中的光敏电阻应该和CC2530芯片的P0口连接，并且这个传感器的工作电压设定为为3.3V。当光线强度变化时光敏电阻值会随着变化，这时RA1两端的电压会有所变化，通过读取电压值来监测光照的强度变化。图2-3 光敏电阻应用电路图2.4供电模块综合供电模块一般分为串口模块、传感器、CC2530核心板等部分供电。因为窗帘旋转电机使用市电，所以智能窗帘控制器输入端需标准是市电220V，但是 CC2530芯片需要直流3.3V 供电，因此就需要将市电220V 降低到3.3V。将交流市电使用整流滤波之后再通过变压器处理，且在电压输出末端使用电源稳压调整器件ZR431

15、实施采样、对比和反馈只会得出 末 端 输 出 电 压 VDD 是 3.3V，即可为CC2530芯片供电。图2-8为电源模块原理图。图2-4 电源模块2.5复位电路单片机的复位电路在一个完整的单片机工作电路中会起到相当重要的作用，与我们日常使用的电脑中的重启部分有异曲同工之妙，比如在我们使用电脑时因为某些原因使得电脑出现死机的情况，这时如果按下了重启按钮，那么整个电脑就会根据内部的程序运行流程进行从头开始运行。其中单片机系统也是如此，在自身系统顺利运作的时候，承受来自外界原因的作用比较明显，例如环境影响导致程序跑飞，此时就需要按下复位按钮，此系统内部的程序也会自主从头继续执行，达到和重启电脑相似

16、的结果。复位电路是为了确保综合单片机系统中电路正常且平稳运作的重要基础，其可划分成不同的部分，上电以及手动复位：上电复位：通常单片机电路顺利运作的条件就是供电电源是5V±5%，也就是4.75到5.25V范围内。单片机应用电路只有有了稳定的时钟信号才可以稳定运行，因为单片机应用电路是时序数字电路。因此在电源上电的时候，必须在电源电压高于4.75V且低于5.25V和晶体振荡器平稳运作的时候，复位信号才会去除，单片机电路才可以顺利运作；手动复位：想要达到手动按键复位就要在复位输入端的RST上添加高电平,日常使用的方式就是在复位输入端以及正电源之间添加按键。当有人人为的触发按键时，电源的正5

17、V电平就会自动加到复位端上，从而达成在在复位输入端的RST上加入一个高电平的目的。由于人完成触发按键行为需要大概数十毫秒，因此，可满足复位时间需要。图2-5为手动复位电路。图2-5 复位电路2.6串口模块电路串口电路利用 SP3223E 开展电平转换，串口准备标准的9 针串行接口，详情可参照图2-10的内容。在嵌入式系统中串口不仅可以输入输出系统数据，还可以做为系统调试的重要手段，将运行结果通过串口输出到PC的串口调试助手上，判断运行结果是否正确。图2-6 串口电路2.7 继电器电路当协调器接收了信息并且进行判断处理之后，就会向终端节点发送出相应的控制信息命令，终端节点接收到控制信息命令后会完

18、成相应的动作，这是便需要继电器参与到我们的系统当中进行工作，因此系统中也加入了继电器部分的原理图。如图2-12：继电器和单片机的P14和P15两个引脚相连，当P14置1时继电器1闭合当P14置0是继电器1打开，继电器同样，本系统因目前只加入光照强度控制模块，所以只使用其中一个继电器即可。图2-7 继电器电路第三章 软件设计3.1 ZIGBEE的介绍ZIGBEE是最近发展很快的短距离无线通信科技，一般用在传感管控。ZIGBEE是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。依照国际标准要求，ZIGBEE技术就是短距离、低损耗的技术。ZIGBEE具有以下特点：（1）功耗低，低耗电模式下可持许

19、工作6到4个月。（2）成本低，每块芯片大约需要十三元左右人民币。（3）速率低，ZIGBEE的工作速率规定在20到250kbps之间，满足低速率传输要求。（4）距离短，ZIGBEE的传输范围通常在大概10到100米之间。（5）响应快，ZIGBEE节点进入到工作状态基本只需要15ms，各节点连接入无线网络只需要30ms。(6)容量高，最高可以接受65000个ZIGBEE节点。（7）安全性能高，ZIGBEE有三级安全模式。就是由于ZIGBEE的众多优势，因此本课题分析最后选择将ZIGBEE当做前提开展智能家居窗帘控制系统的分析。3.2开发环境 ZIGBEE 2007协议发布之后，协议栈也进一步的完善

20、起来，相应的ZIGBEE技术的解决方案也越来越多。但是大多数人选择的是IAR软件集成开发环境以及ZIGBEE协议栈，本文也不例外。除了选择了CC2530控制芯片这一硬件设施外，还需要使用到IAR集成开发环境和ZIGBEE协议栈，其中IAR集成开发环境来进行整个系统的软件编写， ZIGBEE协议栈进行网络通信软件的开发，由此，我们便需要安装ZIGBEE协议栈来实现ZIGBEE网络的开发。3.2.1 IAR集成开发环境简介IAR集成开发软件的C交叉编译是一款完整、稳定的而且操作简便的专业嵌入式开发工具。该开发软件有以下特点:（1）完全兼容标准C语言；（2）内建相应芯片的程序苏度和内部优化器；（3）

21、高效负点支持；（4）内存模式选择；（5）高效的PRO Mable代码；如图3-1所示为IAR软件：图3-1 IAR软件界面3.2.2 ZIGBEE协议栈协议定义的是一系列通信标准，所有的通信都要严格遵守该标准，而协议栈是协议的具体表现形式。ZIGBEE协议可划分成两方面，确定了物理层以及MAC层技术标准的是IEEE802.15.4，ZIGBEE联盟就指出网络层，安全层以及应用层技术要求。但是ZIGBEE协议栈的功能是把各层概念的协议融合和起来，通过函数的方式完成，向使用者准备部分应用层API便于调用。通过ZIGBEE协议栈以后，ZIGBEE网络的研发就转变成应用层C语言程序的研发。在ZIGBE

22、E网络中有三个设备类型：协调器，路由器和终端节点。ZIGBEE网络是由一个协调器和n个终端节点和n个路由器组成的。如图3-2所示：图3-2 协议栈界面3.3协调器节点的程序设计协调器在ZIGBEE无线网络中关键作用就是创建网络，维护以及管理其余节点的添加等。其就是网络的重要设施，协调器挑选信道以及网络ID，之后准备开启综合网络。协调器就是网关，网关就是网络的重点，管理设设施加入网络以及离开网络过程。在网络产生以后，需要让网络管理实体实施网络管理工作，MAC层连接许可标志是辨别网络的标识，实体利用设定MAC层连接许可标志来评判是否允许其余设施进入网络。由待添加网络的节点发送入网申请，网关得到入网

23、申请之后，有网络管理层实体评判其信标是否合理，假如信标合理就可以进入网络，且给节点划分16位地址。在进行编写协调器的相关程序之前要先设置好PAN ID，也就是网络标识符。PAN ID的作用是区分不同的ZIGBEE网络。系统中所有节点的PAN ID都是唯一的，一个ZIGBEE网络只能拥有一个PAN ID，它可以控制终端节点和路由节点加入到哪个ZIGBEE网络中。PAN ID是一个16位的值，取值范围在0X0000到0X3FFF之间。PAN ID的设置方法是打开ZIGBEE协议栈之后，找到在左边Tools文件夹下的f8Config.cfg文件，然后在右边代码编写区域找到-DZDAPP_CONFIG

24、_PAN_ID=0XFFFF,其中0XFFFF可以该为自己需要设置的值，本文改为0X0012;如图3-3所示：图3-3 PANID位置图PAN ID设置完成之后就可以进行协调器部分的代码编写，图3-4就是协调器建网流程。图3-4 协调器工作流程图3.4终端节点即传感器节点的程序设计终端节点的主要功能为数据的采集及发送，主要采集光照度及判断是否进行了按键控制。即主要是传感器驱动的编写。在系统开始工作之后，终端节点就会被唤醒，进行复位初始化，然后寻找到ZIGBEE网络并加入网络，添加ZIGBEE网络之后，终端节点会开启光敏电阻来开展光照度的筹集工作，此外把得到的数据内容运送到协调器。节点的工作流程

25、如图3-5: N Y图3-5终端节点工作流程图3.5. 微控制器模块设计CC2530微控制器模块是系统的重要部分，重点发放驱动信号、检验按键信号及和 Zigbee智能网关通信等活动。在实施过零检测程序之后把检测之后的过零时间点当做延时定时器的起点，系统一直检测是否有按键消息或者源自Zigbee智能网关接收的管控内容。假如得知上述信号，会管控可控硅的导通，窗帘电机开启工作。微控制器模块程序参考图3-6。开始 端口初始化 是否检测到按键信号或Zigbee控制信号 否。驱动电机 是 图3-5 微控制器模块程序流程3.6.程序设计3.6.1 初始化函数void SampleApp_Init( uint

26、8 task_id ) SampleApp_TaskID = task_id; SampleApp_NwkState = DEV_INIT; SampleApp_TransID = 0; MT_UartInit(); /串口初始化 MT_UartRegisterTaskID(task_id); /注册串口任务 P0SEL &= 0X20; P0DIR |= 0X20; P0SEL &= 0X10; P0DIR &= 0X10;3.6.2 按键函数void SampleApp_HandleKeys( uint8 shift, uint8 keys ) (void)shif

27、t; / Intentionally unreferenced parameter if ( keys & HAL_KEY_SW_6 ) #if defined(ZDO_COORDINATOR) SampleApp_SendPeriodicMessage(); #else #endif if ( keys & HAL_KEY_SW_1 ) /* The Flashr Command is sent to Group 1. * This key toggles this device in and out of group 1. * If this device doesn

28、9;t belong to group 1, this application * will not receive the Flash command sent to group 1. */ aps_Group_t *grp; grp = aps_FindGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP ); if ( grp ) / Remove from the group aps_RemoveGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP ); else / Add to the flas

29、h group aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group ); 3.6.3 周期性发送函数void SampleApp_SendPeriodicMessage( void ) LedState = LedState; if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Periodic_DstAddr, &SampleApp_epDesc, SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID, 1, &LedState, &SampleApp_TransID, AF_DISCV

30、_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS ) if(LedState = 0) HalLedSet(HAL_LED_1, HAL_LED_MODE_ON); else HalLedSet(HAL_LED_1, HAL_LED_MODE_OFF); else / Error occurred in request to send. 3.6.4光敏电阻驱动程序设计本文设计的光敏电阻是与CC2530P00口相连，所以要把P0_0设为输入即P0DIR &=0xFE作为AL转换的引脚即APCFG |=0x01;在IAR中新建一个Getlight

31、.c文件，编写光敏电阻的驱动程序，程序如下：#include <iocc2530.h>typedef unsigned char uchar;typedef unsigned intuint;uintgetLight (void);uintgetLight (void)uint value ; P0DIR &=0xFE; APCFG |=0x01; ADCCON3 =0X30; ADCCON1 |=0X40; while(! (ADCCON1&0x80) ; value=ADCL>>2;value |=(uint)ADCH)<<6; return value;在SampleApp.c文件中通过“extern uint32 getLight(void);”这串代码调用驱动代码。总结本设计系统叙述了自动窗帘控制系统的硬件电路和软件设计。在综合方案设计的时候将光敏电阻当做传输信号的设备，将直流电机当做信号传送的执行元件，cc2530单片机是关键的管控元器件，此外使用按键开展手动管控。使用cc2530单片机优势简化硬件程序，光敏电阻收到外部光照信息，在AD转换之后，运送给单